河道流量自動監測系統流速流量率定模型簡析

摘要：河道流量監測是重要的水文信息采集工作之一。當前，用于河道的流量自動監測系統主要有：定點式ADCP測流系統、時差法測流系統、定點雷達波測流系統、側掃雷達測流系統和視頻測流系統等。這些監測方案均需通過實測的流速數據來推算過水斷面流量。依據各種自動監測方案的使用范圍，選用合適的流速、流量測定模型，計算實際的過水斷面流量，從而提高測流的準確性。

關鍵詞：流量在線監測;率定模型;精度;邊界條件根據《水文現代化建設規劃》《全國水文基礎設施建設“十四五”規劃》的要求，水文現代化的發展應立足推動新階段水利高質量發展對水文提出的任務要求，充分運用現代科技手段，進一步提升水文數據測驗、歸集、存儲、處理水平，實現預報、預警、預演、預案功能，更好滿足水利各領域業務需求，加快實現水文現代化。流量監測的現代化是水文現代化的基礎。長期以來，流量監測一直以人工監測為主，自動監測的數據準確性難以滿足規范要求［1］。

1影響流量自動監測系統測流效果的主要因素目前，用于河道的流量自動監測系統主要有：定點式ADCP（包含水平式ADCP和垂向式ADCP）測流系統、時差法測流系統、定點雷達波測流系統、側掃雷達測流系統、視頻測流系統等。這些監測方案從本質上來說均無法實現測斷面的全斷面測量，均只能監測部分表面流速或水體內部分水體的流速，需通過實測的有限位置的流速數據來推算過水斷面流量，測流效果依賴于流量計算模型的建立，這是決定幾種自動監測系統測流效果的根本因素［2］。另外，每一種監測方案的使用都具有相應的范圍，并非可以隨便使用。

2流量計算模型的建立

2.1水平式ADCP測流系統

水平式ADCP是利用聲學多普勒效應原理進行流速測量。自動測流系統將水平式ADCP探頭固定安裝在水面下某一水深處，使探頭上的兩個聲學傳感器位于同一平面上，可獲得本層水流某一段上各點的二維矢量流速。故可知，水平式ADCP測流系統實測數據為斷面上某一水平層的若干測點流速，非斷面平均流速。

實際應用中，水平式ADCP的有效實測區間一般被分為若干個流速單元。進行建模時，并非所有單元流速都需要參與計算。在大多數情況下，水平式ADCP測流系統的流量計算模型可采用指標流速法，結合儀器安裝姿態、當前斷面特征及人工測量數據，選取合適的單元流速段組合，作為指標流速，建立穩定的層流速與斷面平均流速關系，選取相關性最優的關系曲線計算流量。

2.2垂向ADCP測流系統

2.2.1代表垂線法流量計算模型

采用代表垂線法計算斷面流量，本質是通過實測獲得的垂線流速V垂線推算出斷面平均流速V0，繼而計算過水斷面流量。其核心思路與水平式ADCP測流系統相似。在使用垂向ADCP測量垂線平均流速的同時，采用人工測量方式測出斷面平均流速;通過多次測量后得到一組斷面平均流速與實測垂線平均流速數據，對相關數據進行回歸分析，進而確定垂線平均流速與斷面平均流速的關系。一般采用一次回歸方程或二次回歸方程，即：V0=b1+b2V垂線或V0=b1+（b2+b3V垂線）V垂線2.2.2能坡法

能坡法實際是在布設的N條垂線中選取兩條垂線，安裝垂向ADCP進行垂線流速測量。通過能坡法提供的流速計算模型，計算出剩余的（N2）條垂線平均流速，即將常規流量測驗施測多條垂線流速變為計算多條垂線流速，再通過計算部分流量，累加計算獲得斷面流量。

通過比測工作，可獲得N條垂線的人工實測數據。以垂向ADCP實測垂線為已知量，通過人工實測的每條垂線數據，反推出由垂向ADCP實測的垂線平均流速V測到其他任意一條垂線的平均流速V垂線的曼寧公式中的能坡參數。

2.3時差法測流系統

時差法測流系統可采用單層時差法或多層時差法設備進行流量測驗［3］。

2.3.1單層測流系統

單層時差法測流系統實測數據為一對安裝在水中的傳感器之間的層平均流速，其使用的限制性和流量計算模型同水平式ADCP，即：V0=b1+（b2+b3V時差）V時差2.3.2多層測流系統

多層時差法測流系統是在斷面不同水層安裝傳感器，即將斷面分成若干層，每層傳感器可單獨測量所在層的層平均流速。在實際的運用過程中，考慮到比測工作等因素，一般根據分層情況，分別計算各水平層流量，最后累加獲得過水斷面流量，即：Q=ΣQi。

多層測流系統由于可以實現斷面的分層測量、計算，在應對水位變幅大、測驗條件不理想的斷面時，有較好的效果。

2.4定點雷達波測流系統

雷達流速儀測量流速應用的是多普勒效應。通過雷達天線向水面發射電磁波，水面會吸收高頻電磁波部分能量，部分會散射或折射損失掉，但是總有一部分散射電磁波信號會被雷達天線接收。雷達照射的區域內會有很多波浪，會造成不同點的流速有所差異，但是這些差異不大，所以可以將整個區域看作是一個整體，以一個平均速度進行移動，得到多普勒頻移。多普勒頻移計算的準確度直接影響表面流速測量的準確度。

實際使用過程中，一般可在斷面安裝多套雷達波流速儀，通過實測斷面若干個點流速，然后通過相關的計算模型，計算出過水斷面流量。

2.4.1指標流速法流量計算模型

通過實測的若干點流速經加權計算獲得指標流速，再通過比測率定建立起指標流速和斷面平均流速之間的關系。流量便可通過流速面積法Q=V平均·A計算獲得。

采用指標流速法進行計算的斷面，對水流條件要求高，需通過比測找到穩定的流速關系，依據實測情況，一般需要按水情變化進行不同線型的擬合計算。由于此種計算方法對水流狀態有著較大的限制要求，故可作為輔助計算方案。

2.4.2垂線法流量計算模型

垂線法流量計算一般需做垂線分析，根據垂線精簡的分析結果，合理布設雷達波傳感器的安裝位置。

傳感器實測數據為表面點流速，需率定每個點的點流速與傳感器所在垂線平均流速的關系。在定線時一般在水位變幅不大、點流速與垂線平均流速在不同水位條件下具有單一關系時，可使用單一線進行定線;水位變幅較大時、不同水位級下測量斷面水文特性存在差異或者有水工建筑物等因素影響的斷面，需要根據不同水位級分別定線。相關關系率定后，可按常規的流速儀法計算流量［4］。

2.5側掃雷達測流系統

側掃雷達流速儀一般獲取的是河道一定區域范圍內的網格內平均表面流速。例如儀器分辨率為10 m，網格的尺寸為10 m×10 m，所獲得的數據即為各個10 m×10 m區域范圍的平均流速Vni。側掃雷達測流系統的流量計算就是建立在對這些網格平均流速的處理之上。

2.5.1指標流速法流量計算模型

對實測數據進行分析后，選取合適的區間作為數據集的選取范圍，獲得代表區間內的所有網格平均流速。對這些數據進行加權平均即可得到指標流速，通過相關分析法建立起指標流速與斷面平均流速的關系，再通過流速面積法計算，獲得斷面過水流量Q=V平均·A。

2.5.2垂線法流量計算模型

采用垂線法進行流量計算時，根據實測數據分析，設置單元網格長度。例如分辨率設置為10 m，系統會提供出每隔10 m一個單元網格的表面平均流速。例如實測范圍為（20～200）m，系統提供的實測流速為斷面上（20～30）m、（30～40）m……（190～200）m各個區間內的表面平均流速。

在進行流量計算時，需選取計算段，建立所有選取的區間段的表面平均流速V區間n和這個區間段內的垂線平均流速V垂線n的函數關系，再通過垂線計算部分面積的流量，累加計算出斷面流量。

故側掃雷達系統比測率定的目的是建立所有所選取的區間段的平均流速V區間n和這個區間段內的垂線平均流速V垂線n的函數關系。同時在計算模型建立后，對側掃雷達系統實測流量和人工施測斷面流量進行對比分析。

2.6視頻圖像法測流系統

2.6.1指標流速法流量計算模型

對實測數據進行分析后，選取合適的區間作為數據集的選取范圍，對所選范圍內網格的流速數據進行處理即可得到指標流速，通過相關分析法建立起指標流速與斷面平均流速的關系。

2.6.2垂線法流量計算模型

采用垂線法進行流量計算時，根據實測數據分析，設置單元網格尺寸。在進行流量計算時，需選取計算垂線，建立所有選取的垂線表面網格點流速V網格n和垂線平均流速V垂線n的函數關系，再通過垂線計算部分面積的流量，累加計算出斷面流量。

3結語

河道流量監測是重要的水文信息采集工作之一，為水資源管理、洪水預警預報、水環境保護提供了重要的水文數據，同時也是分析測站特性、進行河床演變研究、河道整治等的基礎工作。水文測驗工作具有復雜多變的監測條件，目前，每一種自動測流手段都具有適用的邊界條件。所以，在實際的工作中，需根據不同的水文條件選用合適的自動監測手段，結合斷面、流態、所選監測手段的技術要求，建立合適的流量計算模型，從而達到有效提高測流精度的目的。

參考文獻：

［1］黃煒，張晨旭.水文測驗中定點式ADCP設備運行維護及故障處理方法［J］.江蘇水利，2024（3）：6668，72.

［2］崔海濤，梁法陽，王洪濤，等.二線能坡法流量在線監測系統在梁山閘水文站的應用［J］.水上安全，2023（7）：4042.

［3］孫贊盈，范冰潔，張敏，等.沖積河流平灘流量的確定方法研究［J］.人民黃河，2023，45（10）：3843.

［4］熊珊珊，潘卉，王光磊.二線能坡法流量測驗方法探討［J］.水文，2015，35（6）：8789.